Photonische Textilientextilintegrierte optische Detektoren für Sicherheitsanwendungen Gudrun Andrä, Jonathan Plentz
Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) Abteilung: FunktionaleGrenzflächen Arbeitsgruppe: Photovoltaische Systeme Adresse: Albert-Einstein-Str. 9, 07745 Jena Telefon: +49 (0) 3641 / 206 412 E-Mail:
[email protected]
SmartTex-Workshop - Weimar - 10. Mai 2016
SmartTex-Workshop-Weimar 10.Mai 2016
IPHT Jena, Beutenberg-Campus
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Institut der Leibniz-Gemeinschaft
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≈ 300 Mitarbeiter in 7 Abteilungen
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Ausrichtung: Photonische Technologien für Lebenswissenschaften, Umwelt und Medizin
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Arbeitsgruppe Photovoltaische Systeme mit gegenwärtig 12 Mitarbeitern in der
Abteilung Funktionale Grenzflächen
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Arbeitsgebiete der Gruppe PV-Systeme mc-Si-Dünnschichtsolarzellen auf Basis laserkristallisierter Schichten
Solar/Detektor-Gewebe
90 µm
Faserbasierte Solarzelle
Hybridzellen Organik + Si
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Infrastruktur Beschichtung
● Ebeam-Bedampfung für Si
und Metalle
Laserprozesse
● Diodenlaser ● Festkörperlaser
● CVD/ PECVD für Si
● Excimerlaser
● ALD für AZO und Al2O3
UV, VIS, NIR
● Sputteranlagen für SiNxOy,
cw bis ns (fs)
● MW-Plasma-Anlage für H2
Linie, Gauß,…
Analytik
● Solarzellen-Messplätze ● optische Messplätze ● LBIC ● REM mit EBSD, FIB, EBIC Kristallisation, Tempern, Dotieren, Strukturieren
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Einleitung Basis der Überlegungen und erster Arbeiten zu Textilintegrierte optische Detektoren für Sicherheitsanwendungen Entwicklung von Solargewebe
Glasfaser-Gewebe mit eingewebten Metallfäden und lokalen Solarzellen-Schichtstapeln
Eigenschaften: extrem leicht, flexibel, textilintegrierbar, waschbar, großflächig herstellbar und nachträglich konfektionierbar
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Solargewebe kostengünstig konfektionierbar durch Möglichkeit der nachträglichen Verschaltung
8 x 14 cm2
Ugesamt = R x 0,625 V - Igesamt = P x 1,6 mA - Pgesamt = R x P x 1 mW ausreichend zur Smartphone-Versorgung Breites Anwendungsfeld der Solargewebe • Energieversorgung von Sensoren, Aktoren, Kleingeräten, • Einsatz in Gebäuden für Abschattungselemente oder LKW-Planen
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Solargewebe Weitere Entwicklungsarbeiten
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Großflächig reproduzierbare Parameter durch Materialanpassung -> Temperaturstabilität und Ausdehnungskoeffizient u.a. des Coatings
• •
Skalierbare Technologieschritte für Beschichtung, Strukturierung, Kontaktierung TAB Forschergruppe mit Uni Jena zu Solar-Speicher-Gewebe
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Photonische Textilien für Sicherheitsanwendungen (Textile) Solarzellen erzeugen aus Licht elektrische Energie (Strom, Spannung) Strom- bzw. Spannungssignal zeigt Lichteinfall an und kann für Gefahr-Detektion und Warnung genutzt werden Anwendungsfelder
Warnung vor beschädigter Schutzkleidung für Biomaterialien, Chemikalien, Gas, Wärme, bei mechanische Belastung
Ladungssicherheit Europa: 57.000 Diebstähle pro Jahr Deutschland: 1,5 Mrd. € Schaden Europa: 8,2 Mrd. € Schaden
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 1. Großflächige Herstellung von Solarzellen-Schichtsystemen auf bzw. zwischen textilen Geweben
Schichtsystem auf laminiertem Gewebe Bedingungen: geschlossene Schichtoberfläche; Temperaturstabilität (150..230oC/ 30 min); Vakuumstabilität (1 mbar); Thermische Ausdehnung (Si: 4∙ 10-6/K)
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“ Detektion Helligkeitszunahme (Öffnung eines Raums, Behälters, Abdeckung,…) Signalauswert ung
Signalauswertu ng
A
A
10x10 cm2 Wafer-Zelle Lichtquelle Sonnentag (entspricht etwa 1000 W/m2) Zimmerbeleuchtung Straßenbeleuchtung Kerze (Entfernung 1 Meter) Vollmondnacht Sternklarer Nachthimmel (ohne Mond) Bewölkter Nachthimmel (ohne Mond)
Ev (lx = lm/m2) 100.000 500 10 1 0,25 0,001 0,00013
Jsc (µA/cm2) 10.000 50 1 0,1 0,025 0,0001 0,000013
ISignal (µA) 1.000.000 5.000 100 10 2,5 0,01 0,0013
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“
Straßenbeleuchtung (10 lx) und Mondschein (0,25 lx) geben Signal Reihen- oder Parallel-Schaltung von Zellen zur Erhöhung des Signals möglich
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 2. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Ladungssicherheit“
Test in abgedunkeltem Labor
• • • • • •
Kleinste Helligkeiten, die zur Orientierung notwendig sind, sind detektierbar Dünnschichtsolarzellen generieren weniger Strom als Waferzellen; Lösung: Verschaltung Anwendungsfelder Waferzellen textile Dünnschichtzellen ? 1 €/ Wafer, „Drahtverschaltung“ kleine Räume Solargewebe 30 €/ m2 , integrierte Verschaltung große Räume, flexibel
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“
Wirkprinzip Beschädigung des Gewebes
Lichteinfall
Signal durch Photostrom
Warnung bevor körperlicher Schaden entsteht, Ausschalten von Geräten
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“ Tests mit Lasern als lokale Lichtquelle I-V--Signale bei Lichteinfall auf Zelle ohne Deckgewebe 5,0
900
4,5 4,0
800 700
3,5
600 500
3,0 2,5
400
2,0
300
1,5
Spannung (P4/6) Strom (P4/6)
200 100
1,0 0,5
0
0,0 0,0
0,4
0,8
1,2
1,6
2,0
2,4
2,8
Strom / mA
Spannung / mV
1.6
Integral der Spannung / a.u.
1000
Verhalten bei Zerstörung des Gewebes 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 0
20
40
60
80 100 120 140 160 180 200 220 240
Zeit / s
Laserleistung / W
Wellenlänge 532 nm (grün),
Wellenlänge 355 nm (blau), Pulslaser
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Entwicklungsarbeiten zu photonischen Textilien 3. Vortests zur Eignung von Solarzellen für Anwendungsfeld „Schutzkleidung“ Signalanstiegszeiten bei Beleuchtung mit 20 ns-Puls 350
350
300
300 s3_P5/2_1 mJ s4_P5/2_1,2 mJ s6_P5/5_1,3 mJ s5_P5/4_1,4 mJ s2_P5/3_1,5 mJ s1_P5/3_2,2 mJ
250 200
Spannung / mV
Spannung / mV
2
150 100
250 200 150 100
50
50
0
0 0
2
4
6
8
10
Zeit / µs
12
14
16
18
s3_P5/2_1 mJ (1,3E3 J/m ) 2 s4_P5/2_1,2 mJ (1,5E3 J/m ) 2 s6_P5/5_1,3 mJ (1,6E3 J/m ) 2 s5_P5/4_1,4 mJ (1,8E3 J/m ) 2 s2_P5/3_1,5 mJ (1,9E3 J/m ) 2 s1_P5/3_2,2 mJ (2,8E3 J/m )
-0,2 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0
Zeit / µs
Signal-Generation innerhalb von ns augenblickliche Warnung oder Abschaltung von Geräten Solarzellen empfindlich im Bereich von UV (248nm) bis NIR (810nm) Funktionieren z.T. auch nach lokaler Zerstörung
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Zusammenfassung • • • •
Solarzellen-Schichtaufbau auf und zwischen Textilien großflächig möglich Nutzbar als großflächige Detektoren im Sicherheitsbereich Wirkprinzip: schnelle Generation eines elektrischen Signals bei Lichteinfall auch sehr niedriger Intensität direkt auf die Detektorschicht oder nach Zerstörung einer Deckschicht Einsatz für Diebstahl-Sicherung, Einsatz in Schutzkleidung ….?
Wann textile Variante?
Größe der möglichen Schäden? Wann Funktionskontrolle?
• •
dichte, glatte Beschichtungsoberflächen notwendig Materialanpassung in Hinblick auf Temperatur- und Vakuumstabilität sowie Wärmeausdehnung
•
hier nicht beschriebene Produktentwicklung auf Basis eines photonischen Textils wurde begonnen
•
Gesucht: Interessenten für weitere Produktentwicklungen
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit